Превращение энергии в закрытом колебательном контуре.




Билет 8

Кипение. Критическая температура

При постоянном объеме, давление насыщенного пара сильно зависит от температуры, т.о. закон Шарля к насыщенным парам неприменим. При повышении температуры жидкость испаряется быстрее, чем конденсируется пар. Именно увеличение плотности пара вносит основной вклад в резкое повышение давления.

Кипение – это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только со свободной поверхности, но и во всем объеме жидкости внутрь полости образующихся пузырьков пара.

Если жидкость прогрета неравномерно, то при всплытии пузырьков давление внутри них падает за счет конденсации пара и они захлопываются. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестают схлопываться и свободно всплывают на поверхность. Жидкость закипает.

Изотерма реального газа. Чем выше температура, тем меньше объем, при котором начинается конденсация пара и больше объем, занимаемый жидкостью после того, как весь пар конденсируется.

Плотность пара и жидкости при одном и том же давлении ближе друг к другу, чем выше температура.

При достаточно высоких температурах горизонтальный участок изотермы реального газа становится совсем коротким и при некоторой температуре обращается в точку. Эта температура называется критической. Критической называют температуру, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимся с ней в динамическом равновесии. Каждое вещество имеет свою критическую температуру (напр. CO2 – 31 °С; H2O – 374 °С).

Состояние соответствующее точке К, в которую обращается горизонтальный участок изотермы при температуре T = Tк, называют критическим состоянием (критическая точка). Давление и объем в этом состоянии называют критическими. В критическом состоянии жидкость имеет максимальный объем, а насыщенный пар – максимальное давление.

Для превращения жидкости в пар путем испарения или кипения требуется приток теплоты. Количество теплоты, требующееся для превращения данной массы жидкости в пар той же температуры, называется теплотой парообразования этой жидкости.

Теплота парообразования зависит от рода жидкости, ее массы и температуры.

Зависимость теплоты парообразования от рода жидкости характеризуется теплотой парообразования – отношением теплоты парообразования жидкости к ее массе:

где r – удельная теплота парообразования жидкости (Дж / кг), m – масса, Qн – теплота парообразования.

Максимальная температура, при которой пар еще может обратиться в жидкость, называется критической температурой (рис.3.2).

При критической температуре удельная теплота парообразования равна нулю, т.к. нет различия между жидкостью и паром.

Превращение энергии в закрытом колебательном контуре.

Периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения) называются электромагнитными колебаниями. Для получения электромагнит­ных колебаний нужно иметь цепь, в которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию маг­нитного поля и обратно. Электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора с емкостью C и катушки с индуктивностью L называется колебательным контуром.

Рассмотрим подробнее, как про­исходят электромагнитные колеба­ния. Зарядим конденсатор емкостью С до некоторого напряжения Um и соединим его с катушкой, индуктивность которой L (рис. 14.1). На рис. 14.1а показан момент, когда разрядка конденсатора только начинается. В этот момент в конденсаторе имеется электри­ческое поле, а магнитного поля в катушке еще нет, поэтому вся избыточная энергия контура является электрической и выражается формулой Wэл = CUm 2/2.

Когда заряды устремляются из конденсатора в катушку, то в ней создается ЭДС самоиндукции, которая тормозит нарастание тока, но прекратить его не может. Ток нарастает до тех пор, пока конденсатор не разрядится полностью. В этот момент (рис. 14.1б) ток в цепи достигает максимальной величины Im, а вся избыточная энергия контура превращается в энергию магнит­ного поля катушки и выражается формулой Wмаг=LIm 2/2.

Если активное сопротивление R настолько мало, что потерей энергии на нагревание проводников можно пренебречь, то Wмаг будет равно Wэл. Таким образом, в предельном случае при R= 0, т. е. при собственных колебаниях в контуре, справедлива формула

CUm 2/2= LIm 2/2 (14.1)

В следующий момент магнитное поле в катушке начинает ослабе­вать и в ней наводится ЭДС самоиндукции, поддерживающая прежнее направление тока, вследствие чего происходит перезарядка конденсатора, т. е. превращение магнитной энергии в электриче­скую.

Когда магнитное поле в катушке исчезнет, то конденсатор опять начинает разряжаться (рис. 14.1в) и в контуре возникает ток обратного направления, пока вся электрическая энергия снова не перейдет в магнитную (рис. 14.1г). После этого за счет действия ЭДС самоиндукции конденсатор опять перезаряжается и дости­гается состояние, показанное на рис. 14.1а. Итак, полное колеба­ние в контуре закончено и далее весь описанный процесс повторя­ется снова в том же порядке.

Как показывает теория, колебания в идеальном контуре (при R =0), т. е. собственные колебания, являются гар­моническими. Период собственных колебаний определяется усло­вием равенства реактивных сопротивлений катушки и конденсато­ра, т. е. формулой

XL = XC, или ω0L = l/ ω0C. (14.2)

Частоту ω0, при которой выполняется это равенство, называют собственной частотой колебательного контура.

Из (14.2) следует, что

Поскольку ω=2π/Т, то для периода собственных коле­баний в контуре получим

Соотношений (14.4) называют формулой Томсона.

Из (14.4) следует, что для частоты ʋ собственных колебаний в контуре справедлива формула

Из (14.5) видно, что при достаточно малых L и С в контуре можно получить колебания высокой частоты, измеряемой миллионами герц и больше.

Чтобы получить незатухающие электромагнитные колебания, можно включить в колебательный контур источник внешней сину­соидальной ЭДС е=𝜉msinωt. Под действием этой ЭДС в контуре установятся вынужденные колебания с частотой этого источника со (т. е. потечет переменный ток).

Когда частота вынужденных колебаний ω приближается к соб­ственной частоте контура, наступает электрический резонанс.

Электрический резонанс очень широко используется в радио­технике. Изменяя резонансную частоту колебательного контура с помощью конденсатора переменной емкости, приемник настраивают на определенную частоту, выделяя из огромного множества радиоволн передачу нужной радиостанции.

Для получения незатухающих электромагнитных колебаний на практике использу­ют устройство, с помощью которого компенсируются потери энергии в контуре на тепловое дейст­вие при каждом полном колебании, аналогичное механизму, попол­няющему энергию маятника в часах. За счет расхода энергии внешнего источника питания избыточная энергия колебательного контура W остается постоянной, а колебания становятся незатуха­ющими. Устройство, поддерживающее незатухающие электромаг­нитные колебания в реальном контуре, называют генерато­ром электромагнитных колебаний.

Токи высокой частоты имеют свои особенности. Когда такой ток течет по провод­нику, то внутри проводника возникают вихревые токи, обусловлен­ные быстрыми изменениями магнитного поля.

Эти изменения магнитного поля внутри проводника таковы, что на оси проводника вихревой ток направлен навстречу основному току, а у периферии проводника вихревой ток идет в сторону основ­ного тока. Таким образом, ток высокой частоты по поперечному се­чению проводника распределен неравномерно. Плотность тока в центре поперечного сечения проводника близка к нулю и возрастает по направлению от центра к наружной поверхности проводника.

При очень высокой частоте ток практически идет только по тон­кому наружному слою проводника. Это явление называют скин-эффектом. Для таких токов сплошные провода можно заменять тонкостенными трубками.

В настоящее время токи высокой частоты получили широкое применение. Напр., для быстрого прогрева и плавления металлических тел применяются высокочастотные пла­вильные печи, закаливают стальные детали, производят сушку древесины, пищевых продуктов; в медици­не этим пользуются для прогревания больных органов человече­ского тела (электродиатермия), и т. д

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: